MMH正电胶泥浆的研究及其在超深防渗墙施工中的应用

孔祥生

中国水电基础局有限公司

韩伟

中国水电基础局有限公司

肖恩尚

中国水电基础局有限公司

毛鸿飞

中国水电基础局有限公司

苏李刚

中国水电基础局有限公司

赖昭万

西藏旁多水利枢纽工程管理局

张俊涛

西藏旁多水利枢纽工程管理局

朱田胜

西藏旁多水利枢纽工程管理局

洛桑旺加

西藏旁多水利枢纽工程管理局

1 引言

固壁泥浆技术是混凝土防渗墙施工中的重要组成部分。随着钻遇地层的复杂和施工难度的增大，固壁泥浆技术在稳定孔壁、防止坍塌，携带和悬浮钻屑，拓展液压铣、抓斗、冲击反循环、气举反循环等优良设备的适用范围，提高工效等方面起着重要的作用。

迄今为止，国内外在防渗墙施工中仍然沿用早在20世纪60～70年代使用的分散型固壁泥浆，即由淡水、膨润土或黏土和起分散作用的处理剂组成。常用的处理剂主要是纯碱、烧碱及起降滤失作用的CMC（羧甲基纤维素）等。该类泥浆在覆盖层比较薄、墙体较浅、地层比较稳定的防渗墙施工中尚可满足要求。但中国西部许多工程地基覆盖层深厚，地层复杂，防渗墙深度厚度很大，孔壁不稳定问题突显严重。主要问题是，①泥浆抑制性差，不能有效控制地层水化膨胀，特别是对砂质含量高，渗透性强，结构松散的地层，容易引起垮塌；②泥浆性能不稳定，抗污染能力差，在造孔过程中，容易受孔壁地层和钙、镁离子等的污染，使泥浆流变性和滤失性能遭到破坏而失去悬浮稳定性，造孔清孔困难；③由于分散体系颗粒比较细，特别是粒径小于1μm亚微米颗粒所占的比例相当高，使用时对提高造孔速度加快施工进度不利；④由于泥浆中加入大量烧碱、纯碱等，对自然环境带来不利影响。因此，研制或筛选出环保、并能适应各种复杂地层的新型环保固壁泥浆已迫在眉睫。此前，虽在上海、北京、天津、长江堤防防渗墙等工程实验性使用过聚丙烯酰胺为主剂的高分子聚合物材料，并取得一定成效［1］，但由于其成本高，且受槽孔深度、施工设备制约，难以适应深厚复杂覆盖层的防渗墙施工。

目前，石油勘探钻井界已研制出数十种处理剂，但大多着眼于泥页岩、高盐钙地层等［2-6］，专门针对砂层、砂砾石层、漂孤石等松散地层的处理剂甚少。本项研究在于研制或筛选一种可应用于复杂地层和施工设备的，具有节能、环保、高效性能的泥浆，从而解决制约我国混凝土防渗墙施工技术发展的关键环节——固壁泥浆技术。

2 固壁泥浆配方的研究

西藏旁多水利枢纽坝基覆盖层最大深度424m，防渗墙试验段最大施工深度201m。地质条件复杂，几乎涵盖了防渗墙施工中遇到过的各种特殊地层，如强漏失漂（卵）石层、孤石层、坡积块石堆积层，以及细砂-粉细砂层等。为了在防渗墙施工中稳妥地穿越特殊地层，保证墙体质量，对多种处理剂进行了优选。

2.1 单剂评价及优选

水电及石油钻井行业中，为了解决孔壁失稳问题开发了多种处理剂，包括大分子包被剂、小阳离子抑制剂、无机盐抑制剂、降失水剂、正电胶等。本工程室内试验选择8种包被抑制剂以供筛选，分别为KPAM（粉剂）、增黏抑制剂80A51-223（粉剂）、B-22（粉剂）、FA-367新样品（粉剂）、大分子乳液（1）、大分子乳液（2）、HP乳液、正电胶（MMH）。

基浆为10%膨润土浆，搅拌1小时，膨化24小时。之后进行处理剂流变性测试，见表1。

在此基础上对抑制性进行评价。抑制性即抑制孔壁地层或钻屑水化分散和膨胀的能力，可通过测定浆液中的岩屑回收率评价。试验基浆由地表水和10%膨润土浆按2：1比例配置，降滤失剂选用NH₄-HPAN。试验结果见表2。

表2说明，单独使用包被抑制剂的岩屑回收率较低。对此，结合前人的成果选择小阳离子等抑制剂共同使用，再配以降滤失剂可以达到更好地抑制效果（见表3）。降滤失剂分别选取CMC和PAC—LV，以进一步降低滤失量，增加抑制性。

基浆为400mL水+200mL10%膨润土浆+3g大钾+12gNH₄-HPAN。

旁多水电站坝基地层非常容易坍塌，如岩屑回收率达到70%，则基本可以达到施工要求。以上实验研究表明，无论是其流变性还是其抑制性，加入正电胶的泥浆均优于80A51—223、大分子乳液等其他处理剂，可较好地解决深厚复杂覆盖层防渗墙施工过程中的孔壁稳定及携带悬浮岩屑等问题。

2.2 MMH正电胶的化学组成与固壁原理

MMH是混合金属层状氧化物（Meix Metai Lagered Hydroxide Compounds）^［7^，8^］的缩写，由于其胶体颗粒带永久正电荷，所以统称为MMH正电胶。以正电胶为主剂配制的浆液称为正电胶泥浆。

2.2.1 化学组成和晶体结构

MMH正电胶主要由二价金属离子和三价金属离分子组成的具有类水滑石层状结构［9］的氢氧化物。现场应用的MMH主要是铝镁氢氧化物（AL—MgMMH）正电胶，也可称为氢氧化铝镁正电胶。主要成分是Mg²⁺、Al³⁺、OH^-和Cl^-。基本构造单元是镁（氢）氧八面体，八面体中心是Mg⁺²，六个顶角是OH^-。相邻八面体间靠共用边相互连接形成二维延伸的配入面体结构层，即单元晶层，称为水镁石片。OH^-之间的全部八面体孔隙中。水镁石片以现一面堆叠形成晶体颗粒。水镁石的层状晶体结构决定了它多以片状形态存在。

水滑石的化学组成式为。它具有与水镁石一样的层状结构，水镁石片中的Mg²⁺被Al³⁺同晶体置换后，晶体结构不变，形成镁铝氢氧化物八面体结构层，称为类水镁石片，是水滑石的单元晶层。水滑石就是由这种类水镁石片面一现重叠形成的。在类水镁石片中，由于高价的Al³⁺取代了部分低价的Mg²⁺，使得正电荷过剩，所以类水镁石带正电荷。这种由于晶体结构产生的电荷称为永久电荷。

2.2.2 MMH的电荷来源

MMH胶粒的电荷主要来自于同晶置换和离子吸附作用。当MMH中的镁氧八面体中心的Mg²⁺部分被Al³⁺取代后，由于Al³⁺所带的正电荷数比Mg²⁺多，每取代一个Mg²⁺就增加一个正电荷，所以类水镁石片有过剩的正电荷。MMH中的同晶置换作用与黏土粒子是相同的，只是黏土粒子是低价阳离子（Mg²⁺或Ca²⁺）取代高价阳离子（Al³⁺或Si⁴⁺）而使层片带负电荷。

同晶置换所产生电荷是由物质晶体结构本身决定的，与外界条件如pH值、电解质种类及浓度无关，因而称为永久电荷。MMH胶粒表面电荷密度与离子吸附作用有关，如高pH值时吸附OH^-而带负电荷，低pH值时吸附H⁺而带正电荷，当吸附高价阳离子如、等时，表面负电荷增加，这种离子吸附作用产生的电荷与外界条件有关，称为可变电荷。胶粒的净电荷是永久电荷和可变电荷之合。

2.2.3 MMH正电胶固壁基本原理

MMH正电胶带永久正电荷是由物质晶体结构本身决定的。MMH与地层钻屑带负电荷胶粒靠静电作用形成空间连续结构，既可稳定浆液性能，也可吸附在钻屑和孔壁上，具有抑制钻屑分散，稳定孔壁作用［3］。同时，在MMH浆液中水与MMH/黏粒复合物结合紧密，只有受到搅拌时，聚合物件的水链才被拆散，但单个复合体周围仍束缚大量的水［4］。因此，水处于MMH正电胶浆液与地层的竞争环境中，谁的亲和力大，谁就是胜者。由于MMH正电胶浆液束缚水的能力强，可降低水向地层中的渗透，因此，有利于孔壁的稳定。此外，正电胶独具特色的固-液相间的流变性，使其在近孔壁处于相对静止状态或固相，因此容易形成保护孔壁的“滞流层”。它的存在减轻了浆液对孔壁的冲蚀，从而有效地稳定孔壁。

3 MMH正电胶浆液的特性

3.1 稳定性

MMH正电胶粒带高密度的正电荷，对极性水分子产生极化作用，使其在胶粒周围形成一个稳定的水化膜，这个水化膜的外沿显正电性。而岩屑/黏土胶粒所带负电荷，也会对水分子产生类似作用，只是水化膜外沿显负电性。当两个带有强水化膜的粒子靠近时，首先接触的是水化膜外沿，由于电性相反而形成贯通的极化水链，使两个粒子保持一定的距离而不再靠近。这样，在整个空间就会形成由极化水链连接的网络结构，这种由正、负电荷的颗粒与极化水分子所形成的稳定体系称为“MMH-水-黏土复合体”（图1）。正是这种特殊的结构，使MMH正电胶泥浆具有特殊的流变性并稳定地层。

3.2 固-液相间的流变性

实践表明，MMH正电胶浆液具有一种特殊的流变学现象，即静止时呈假固体状，具有一定的弹性；搅拌时迅速稀化，变为流动性很好的流体。这种现象称为“固-液双重性”，即为极强的剪切稀释性［4］。其原因主要是MMH-水-黏土复合体结构引起的。静止时，体系的水全部被极化后可形成网状结构，因而结构强度大，表现为动切力较高，即体系悬浮钻屑能力较强。因为其复合体中所形成的空间网状结构主要是由极化水链联结的，极化水链结构的形成和破坏均十分迅速，因而从假固态向流体的转化或相反的转化都可以在很短的时间内完成。而结构的破坏仅限于受扰动很窄的区域，邻近未感受到应力作用的部分不受影响。这对于防渗墙工程，特别是超深防渗墙工程是一种十分理想的特性。即因其有较强的动切力（携带岩屑能力），有利于提高清孔工效及清孔效果；而其较高的静切力（悬浮岩屑能力），可以保证未被清除的岩屑在长时间混凝土浇筑过程中不下沉或极少下沉，从而保证墙段接头施工及墙体质量。

就其固壁效果而言，这种固-液相间的流变性是正电胶浆液独具的特色。正由于这种特性，在近孔壁处于假固相，即所谓“滞流层”，它减轻了浆液对孔壁的冲蚀。Fraser［10］通过现场试验发现，“滞流层”厚度约为19mm。“滞流层”对解决砂层和松散的漂砾石层坍塌问题甚为重要，同时对易漏失地层具有较好的防漏堵漏效果。此外，“滞流层”的存在可拓宽液压铣、抓斗、冲击反循环钻机等优良设备的适用范围，从而提高工效。

3.3 抑制性

MMH正电胶泥浆具有良好的抑制性［11］。造浆性强的地层对正电胶泥浆的流变性能影响不大，同时还有极强的抗Ca污染的能力，Ca离子进入浆液还能改善浆液的流变性能。同时对滤失量影响不大。

孔壁失稳的实质是地层的水化问题［12］。水化分表面水化和渗透水化两种。MMH正电胶的强抑制性使地层中矿物或岩屑表面的离子活度降低，从而削弱了表面水化和渗透水化作用。因此，稳定了孔壁，防止了掉块、塌孔等孔内事故的发生，并大幅度提高了成槽工效。

3.4 电性的调节

通常的水基泥浆液是由黏土分散在水中形成，所用的处理剂也是带负电荷的，这样整个泥浆体系是强负电性的。这种强负电性易导致钻屑分散和孔壁不稳定［13］。

带正电荷的MMH胶粒加入泥浆体系后，会降低体系的负电性，甚至会转化为正电性［8］，这对抑制钻屑分散，使浆液易于进入松散地层，并改变原始地层成分和结构，形成较广的“桥塞区”或称“内泥皮”。事实上，单纯外泥皮很难维护孔壁稳定，孔壁稳定体系是由“外泥皮+桥赛区+侵染区”共同构成（图2）。由于MMH正电胶的加入改变了浆液体系的电性，使得进入地层的泥浆不仅可以有效抑制地层水化膨胀，还可封堵孔隙，防止漏浆塌孔。

泥浆的电性与MMH的参量密切相关。随MMH正电胶含量的增大，泥浆体系由负电性变为正电性或极弱的负电性。高岭土体系电性反转需要MMH正电胶的量比蒙脱土体系要低得多，这是因为高岭土的负电性明显低于蒙脱土的缘故。高岭土的ζ电位为-12.8mV，蒙脱土的ζ电位为-30mV。因此，通过改变MMH正电胶的加量，可实现对MMH正电胶泥浆电性的调节，这是该体系的一个特点。因此，在配制泥浆时要根据膨润土或其他浆材矿物成分及地质条件调整MMH的掺量。

4 MMH毒性试验

由国家环境分析中心对MMH处理剂进行了毒性实验，检测结果表明该处理剂各项浸出值均低于国标GB 5085.3—2007《危险物鉴别标准 浸出毒性鉴别》的最低限（表4）。即正电胶泥浆不会对施工区地表和地下水造成污染。

5 MMH正电胶泥浆的应用

在西藏旁多水利枢纽158m大坝防渗墙施工中，优先使用了MMH正电胶泥浆。钻遇地层包括下部冰水沉积漂（孤）石层、砂砾石层；中上部河流相漂砾石层、砂层；左岸Ⅱ-Ⅲ级台地坡积块石堆积体。但总体以河流相沉积漂卵石层、砂层为主。造孔成槽深度一般为152～158m，最大深度达201m。

5.1 现场应用配方

在大量试验的基础上确定防渗墙施工泥浆3种实用配方，其配合比见表5，泥浆性能见表6。

5.2 泥浆性能控制及使用

对新制及重复利用的泥浆性能经常检测予以控制其质量，是维护孔壁稳定保证混凝土浇筑顺畅及墙体质量的关键。泥浆性能主要控制指标见表7，各项性能均严于国内规范要求和国际标准。

新制泥浆主要用于清孔及上部15～20m易坍塌地层，重复利用泥浆主要供中下部地层使用。特殊槽段新制泥浆用至40m左右，以确保孔壁稳定。此外，尤为重要的是混凝土浇筑前泥浆指标的控制，一是必须保证含砂量不大于3%；二是保证泥浆有足够的切力，防止混凝土浇筑过程中泥浆中未被清除的岩屑下沉，造成断墙、墙体夹砂，以及接头管拔脱等质量事故的发生。

5.3 主要施工效果

MMH正电胶首次大规模应用于世界最深的防渗墙——西藏旁多水利枢纽158.47m深防渗墙施工，表现出优异效果。

（1）稳定孔壁。在轴线长达602m（PD-45～PD162号槽段）的旁多水利枢纽深度大于100m的防渗墙槽孔施工中，除PD-67号槽孔因膨润土供应短缺造成孔壁掉块卡斗外，其余各槽段未出现因地层水化膨胀导致的孔内事故及槽孔坍塌现象，并由此大大降低处理孔故及重复造孔时间，提高了施工工效。与国外类似地质条件相比，造孔成槽工效提高了近1倍。

（2）有效封堵渗漏，减缓浆液对孔壁的冲蚀。大坝防渗墙孔深60～80m以下为漂卵石和崩塌堆积块石体，间夹粉细砂等，属强漏失地层。如采用常规分散型泥浆，遇到该类地层时难以控制其漏浆及地层水化分散、膨胀，漏浆、塌孔难以控制。实践表明，正电胶泥浆有效封堵了地层孔隙，防止的孔内复杂情况的发生。即使个别槽孔出现严重漏浆，槽孔内浆面迅速下降，也因“外泥皮+桥塞区+侵染区”稳定体系的形成而保持了孔壁稳定。

（3）提高浆液的携带与悬浮能力。通常情况，150m深槽孔常规分散性泥浆无法或极难清除槽孔内下部岩屑。MMH的加入提高了其动切力，即携带岩屑的能力，因而加快了清孔工效，提高了清孔效果，使清孔指标可达到含砂量小于3%，通常在1.5%左右。静切力的提高，亦即泥浆悬浮岩屑能力的提高，保证了在混凝土浇筑过程中，未被清除的岩屑悬浮于泥浆中而不下沉。这一点对墙体质量至关重要。

6 结论及建议

通过对MMH正电胶泥浆的试验研究和在旁多水利枢纽防渗墙工程的施工实践，得出以下几点认识：

（1）MMH正电胶综合性能优于KPAM、80A51—223、FA—367等其他处理剂，可作为深复杂厚覆盖层防渗墙施工首选泥浆处理剂。

（2）MMH正电胶泥浆具有良好的抑制性。有效地抑制了地层水化、膨胀引起的地层失稳，能较好地适应粉细砂等特殊地层的防渗墙施工。

（3）独具特色的固-液相间流变性，可在孔壁形成“滞流层”，减缓了浆液对孔壁的冲蚀，进而起到了稳定孔壁的作用；较好的剪切稀释性使之在外力干扰较小的情况下，具有较高的切力，有利于携屑、悬屑，保证清孔和浇筑质量。固-液相间的流变性或不连续行为，也拓宽了优良设备的适用范围，如有利于采用液压铣槽机、冲击反循环钻机、气举反循环除渣等。

（4）封堵性能好。正电胶泥浆可有效封堵地层孔隙，防止漏浆、塌孔，降低了扩孔系数，减少了孔内复杂情况的发生。孔壁稳定体系——外泥皮+桥塞区+侵染区的形成，改变了依赖添加黏土“稳定孔壁”等传统工艺，控制了孔内复杂情况的发生。在很大程度上提高了施工工效，成为超深防渗墙施工的重要保证。

（5）正电胶泥浆无毒、无害，符合现代环保要求。

（6）施工中可根据地层特点适当调整MMH的掺量，通过改变浆液体系的电性抑制地层水化、膨胀造成的坍塌，特别是遇有粉细砂等易坍塌地层时，必须及时调整；对于大漏失地层，除使用MMH正电胶外，建议配合使用CMC或改性淀粉等降滤失剂，并加入少量大钾作为包被剂。

（7）施工中需特别重视新制泥浆、重复利用泥浆和混凝土浇筑前泥浆各项新能指标控制，以保证孔壁稳定和墙体质量。

（8）除MMH正电胶外，本项目对多种聚合物处理剂如KPAM、80A51—223等进行了先导性试验和评价，可作为今后泥浆配方的储备技术。

本文获得了中国水电基础局有限公司夏可风教授、中石油勘探开发研究院刘雨晴教授、王奎才教授等的热情指导和帮助，特此致谢。

参考文献

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